JP2011023720A - 光検出要素 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、非常に薄い半導体層を備えた光検出要素を提供する。
【解決手段】真空中での波長がλ₀ に近い光を検出するための光検出要素は、屈折率がnsであり、厚さがλ₀/4ns 乃至λ₀/20nsの範囲にある半導体層(1) と、該半導体層(1) の一側に設けられており、前記屈折率nsより小さい第１の屈折率を有して前記光を透過させる第１の媒体(3) と、前記半導体層(1) の他側に設けられており、前記屈折率nsより小さい第２の屈折率を有しており、幅がλ₀/nsに略等しい領域(5) を有する第２の媒体(6) と、前記半導体層(1) の他側であって、前記領域(5) の両側に設けられており、前記第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有しており、前記第２の媒体(6) と共に反射性界面を形成する第３の媒体(7) とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光検出要素に関する。本発明は、具体的には、厚さが検出されるべき光の波長より小さい半導体層を備えた光検出要素に関する。

現在の光検出器は、一般的には、電荷転送素子に関連付けられた半導体層を備えている。光線が半導体層に照射されるとき、入射する光子が半導体層に電子／正孔対を形成する。その後、キャリアが、キャリアの量を測ることが可能な電子回路に電荷転送素子によって移される。

米国特許出願公開第２００７／０２９０２８７号明細書

半導体層に形成される電子／正孔対の平均的な深さは、入射する光線の波長、及び用いられる半導体の材料によって決まり、波長が大きいほど、電子／正孔対は、半導体層のより深くに形成される場合が多い。例えば、赤色光を約99%吸収するためには、厚さが約10μm であるシリコン層を備えることが必要である。青色光でこのような吸収率に達するには、厚さが約３μm であるシリコン層で十分である。このような厚さは、検出が望まれている光波の波長、及び遠赤外線又はテラヘルツ波の場合には禁止になる波長より非常に大きい。

画像に関する光検出器の場合、一般的には、基本的な光検出器の画素サイズの減少が望まれている。半導体層上の各画素によって占められる表面積を減少させる場合、特に、感光性領域を相互に隔離させるという問題が生じる。実際、近傍画素間の干渉を回避するために、一般的には、各画素の周りに隔離トレンチが形成されている。半導体層が比較的厚い場合、隔離トレンチは半導体層の無視し得ない表面積を占めて、一般的な画素サイズの減少と適合しない。従って、半導体層の厚さを減少する必要がある。しかしながら、既に述べたように、非常に薄い活性のある半導体層は、通常、入射光の全てを吸収して検出することができない。

従って、光検出器の半導体層を光子に２回又は数回横切らせることにより、半導体層の厚さを擬似的に増大している。そのために、半導体層の一側に鏡を設けて、半導体層を光子に２回移動させてもよい。また、反射性要素が、ファブリー−ペロー型構造を形成するために、半導体層の両側に設けられてもよい。実際には、反射性要素はブラッグミラー（Bragg mirror）であり、ブラッグミラーは、一般的に厚く、例えば、10乃至30の四分の一波長の層の積み重ねから形成されている。従って、活性のある半導体層の厚さの減少という利点が失われる。

光検出器の半導体層の厚さを減少するために、集合的な電子電荷の振動（プラズモン共鳴）の物理的現象が利用されている。しかしながら、プラズモン共鳴の使用は、一般的に、周期構造体を備えることを意味し、波長及び入射角の点で検出器が非常に選択的になる。更に、プラズモン共鳴を用いた構造体は、非常に精密に寸法を合わせなければならず、製造を困難にする。

更に、半導体材料が広範囲の半導体化合物から選択され得る光検出器を形成可能であることが望まれている。前記広範囲の半導体化合物の内の幾つかは、非常に薄い層にのみ堆積され得る。

本発明は、非常に薄い半導体層を備えており、以下の特徴の内の少なくとも１つを有する光検出要素を提供することを目的とする。
− 光検出要素は、周波数の点で選択的ではある必要がほとんどない。
− 光検出要素は、測定時間外で反射する必要が全くないか、又は僅かのみ反射してもよい。
− 光検出要素は、入射する光線の入射角にほとんど影響されない必要がある。
− 光検出要素は、入射する光線の偏倚にほとんど影響されない必要がある。
− 光検出要素は、２つの基本的な偏光の内の１つを選択可能である必要がある。
− 光検出要素は、寸法が検出されるべき光線の波長より小さい必要がある。

従って、本発明は、真空中での波長がλ₀ に近い光を検出するための光検出要素において、屈折率がnsであり、厚さがλ₀/4ns 乃至λ₀/20nsの範囲にある半導体層と、該半導体層の一側に設けられており、前記屈折率nsより小さい第１の屈折率を有して前記光を透過させる第１の媒体と、前記半導体層の他側に設けられており、前記屈折率nsより小さい第２の屈折率を有しており、幅がλ₀/nsに略等しい領域を有する第２の媒体と、前記半導体層の他側であって、前記領域の両側に設けられており、前記第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有しており、前記第２の媒体と共に反射性界面を形成する第３の媒体とを備えていることを特徴とする光検出要素を提供する。

本発明によれば、前記半導体層の厚さが、λ₀/4ns 乃至λ₀/10nsの範囲にある。

本発明によれば、前記第２の媒体は前記第１の媒体と同一材である。

本発明によれば、前記第２の媒体の屈折率が、前記第１の媒体の屈折率より大きい。

本発明によれば、前記第３の媒体は金属である。

本発明によれば、前記第３の媒体の厚さが、λ₀/10より大きい。

本発明によれば、前記半導体層は水銀カドミウムテルルであり、前記第１の媒体はカドミウムテルルであり、前記第２の媒体はカドミウムテルルであり、前記第３の媒体は金である。

本発明は、更に、所定の大きさを有する光検出器を形成すべく、上記の光検出要素が並列に接続されてなる組立体を提供する。

本発明は、更に、画素アレイを形成すべく、上記の光検出要素が別々に接続されてなる組立体を提供する。

本発明によれば、前記組立体は、同一又は異なる波長で作動可能な光検出要素を備えている。

本発明の前述及び他の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない特定の実施形態について以下に詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る光検出器の原理を示すための簡略化された断面図である。 本発明に係る光検出器の実施形態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る光検出器の図２の横断面A-A に沿った平面図である。 本発明の実施形態に係る光検出器の図２の横断面A-A に沿った平面図である。 本発明の実施形態に係る光検出器の図２の横断面A-A に沿った平面図である。

微小な構成要素及びナノメータ規模の構成要素の表示での通例通りに、様々な図面は正しい縮尺で示されていない。

本明細書では、検出されるべき光の真空中での波長がλ₀ として示されており、対象の媒体中での光の波長がλとして示されている。一般的には、媒体中での波長λはλ₀/n_eに等しく、n_eは、対象の媒体に相当する領域の実効屈折率である。尚、寸法が波長より小さい構造では、この実効屈折率n_eは、一般的には媒体の屈折率と厳密には等しくないが、近傍の媒体の屈折率が考慮されている。

図１に示されているように、本明細書で説明されている光検出器は薄層1 を備えており、薄層1 は、屈折率がnsである半導体材料から形成されており、薄層1 の厚さe が、光の波長より非常に小さく、例えば、λ/4乃至λ/10 の範囲にあり、好ましくはλ/4に近い。半導体層1 の一面であって、図１における上側に、屈折率がn1である透光性媒体3 が設けられている。半導体層1 の他面に、屈折率がn2である領域5 が設けられており、領域5 の幅L が、屈折率nsの半導体層1 中での実効波長λに略等しい。領域5 は領域7 に囲まれており、領域7 は、領域5 と領域7 との間の界面が強度に反射するように選択された材料から形成されており、例えば金属、しかし場合によっては屈折率が高い誘電体材料又は半導体材料から形成されている。

様々な層及び領域の材料は、屈折率n1,n2 が屈折率nsより小さく、好ましくは屈折率n2が屈折率n1より大きいように選択されている。このような条件では、光は、図１に示された点線で囲まれた領域9 に本質的に捕捉される。光の捕捉は、ファブリーペロータイプの２倍の作用により行われてもよい。まず、薄い半導体層1 の屈折率が半導体層1 の両側に配置された媒体3 及び領域5 の屈折率n1及びn2より大きいnsであるために、光は半導体層1 に捕捉される。更に、幅L が反射性を有する２つの領域7 間に設けられた波長λに略等しい領域5 では、ファブリーペロータイプの作用が実際にあり、領域5 と領域7 との間の界面で強度に反射する。領域5 の屈折率n2が媒体3 の屈折率n1より大きい場合、このファブリーペロータイプの作用が高められる。そのため、光は、好ましくは媒体3 ではなく領域5 に向かって進む傾向がある。また本発明者は、領域5 と領域7 との間の界面の高さが少なくともλ₀/10に等しい必要があることを示した。

この構造には、光検出器の組立体の検出面に垂直な方向に関して、±30°の入射角の範囲、又は±70°の入射角の範囲でさえ、光の入射とは比較的無関係であるという特徴を備えた利点がある。

図２は、図１に示された光検出器の実際的な実施形態を示しており、具体的には４μm の波長に近い赤外線領域における光検出器を示している。薄い半導体層1 は、水銀カドミウムテルル（HgCdTe）層である。

光検出器は、カドミウムテルル（CdTe）基板3 の形成から開始して、
CdTe基板3 上に薄いHgCdTe層1 をエピタキシーにより形成する工程、
HgCdTe層1 上に層7 、例えば金の層を堆積する工程、
層7 に一又は複数の開口部を形成する工程、及び
図１に示された領域5 に相当する層7 の開口部に位置する部分を有するCdTe層6 を堆積する工程
を連続的に行うことにより形成される。

本実施例の構成では、波長が４μm に近い光波の吸収が、開口部を備えていない２層のCdTe層間に設けられた同一のHgCdTe層より、少なくとも５倍大きいことが認識され得る。

本実施例では、本発明に係る光検出器の構造が、現在の技術で製造することが比較的簡単であることが示されている。しかしながら、多くの他の実施形態が提供されてもよい。例えば、基板としてのCdTe層6 の形成から開始して、この基板上に他の層を成長させることが可能である。その後、半導体層1 が少なくとも領域5 上に形成される。

図１を参照すると、媒体3 から領域5 に向かって上から進む入射光は、領域9 で集中して、領域9 に電子／正孔対を生成し、その後、生成された電子／正孔対が測定されて、光検出器の機能が得られる。多くの方法が、これらの電荷を集めるために用いられてもよい。このために、層7 の材料が金属であるとき、層7 が用いられてもよいことが以下の説明により分かる。電子及び／又は正孔を集めるために、横方向のダイオード型構造が形成されてもよく、及び／又は薄い伝導層が、示された層に加えて堆積されてもよい。

既に説明されているように、本明細書に述べられている光検出器が、個々のポイント光検出器を構成しており、ポイント光検出器はアレイ構造に基づいていない。しかしながら、複数の電気的に相互接続された又は分離された光検出器の組立体が、より大きな表面積又は画像アレイで検出するために構成されてもよい。光検出器が相互接続されており同一である場合、信号が、各光検出器の別々の占有表面が合計されたより大きな表面積で集められる。光検出器が異なる場合、光検出器のスペクトル域が広がる。別々に読み取る光検出器の組立体が形成される場合、吸収に基づく空間画像又は波長の点で識別される画像が得られる。領域5 の（λ₀/nsに等しい）幅L により光検出器の中央周波数が決定されるので、領域5 の様々な長さの幅L が、様々な光検出器、例えば、三色画像のために幅が夫々異なる光検出器に用いられてもよい。

図３，４及び５は、様々な可能な形状を有する領域5 の組立体を示す図２の横断面A-A の平面図である。層（伝導性面）7 に形成された領域（窓）5 が、これらの図に示されている。

図３に示された実施形態では、幅L の窓5 が正方形状に形成されている。窓5 は、あらゆる他の所望の形状を有してもよい。例えば、幅が、スペクトルのより容易なサイズ設定を可能にする波長λに略等しいアーム部を備えた十字形状が考案されてもよい。

図４に示された実施形態では、窓5 は帯状であり、従って、光検出器の窓5 の位置に蓄積される電荷を測定するために、領域（電極）7-1,7-2 が櫛形であってもよい。

図３及び４は、可能な形状を示す例に過ぎない。他の多くのトポロジーが用いられてもよい。例えば、台形の断面を有する領域、又は湾曲形状を組み合わせた領域が設けられてもよい。

参照として図５に一例として示されているような更に複雑な形状が採用されてもよい。図５に示された実施形態では、４つの構成要素の内の少なくとも２つの寸法が、少なくとも２つの波長を検出するために異なっていてもよい。

言うまでもなく、本発明は他の多くの変形例を有することが可能である。例えば、界面層が、半導体層1 と隣接した媒体との間に設けられてもよい。ダイオード構造を得るために、ドープ領域が連続的に堆積されてもよい。横方向のダイオードが、特定のタイプの検出を可能にするために形成されてもよい。

用いられる材料に応じて、共鳴構造が、可視領域又は赤外線（近赤外線、中赤外線若しくは遠赤外線）領域に適用されてもよく、又はテラヘルツ波領域にも適用されてもよい。

領域7 に関して、可能な限りほとんど吸収しない非常に高い反射性を有する金属材料が、動作領域に用いられてもよく、すなわち、本質的には、赤外線領域及び可視領域には貴金属（金、銀、アルミニウム及び同様の光学的特性を有する合金）が用いられ、赤外線領域には（炭化ケイ素(SiC )のような）イオン結晶及び十分ドープ処理された半導体が用いられ、テラヘルツ波領域には二次元電子ガスが用いられてもよい。屈折率が高い誘電体材料及び半導体材料が用いられてもよく、例えば、近赤外線領域における検出のためにケイ素が用いられて、可視領域に窒化ケイ素が用いられてもよい。

半導体層1 の半導体は、測定が望まれる波長に適した半導体が選択される。半導体は、可視領域には（結晶質、多結晶質又は非晶質の）ケイ素又はガリウム砒素（GaAs）であってもよく、赤外線領域にはゲルマニウム（Ge）、アンチモン化インジウム（InSb）、アンチモン化ガリウム（GaSb）、インジウムガリウムヒ素（InGaAs）又はHgCdTeであってもよい。

既に述べられているように、光検出器の形成が基板3 で開始される場合、基板3 が、これらの半導体の成長を可能にする透光性材料から形成される。従って、ゲルマニウム／ケイ素（Ge/Si）、シリコンゲルマニウム／ケイ素（SiGe/Si）、ガリウム砒素／ケイ素（GaAs/Si）、アンチモン化インジウム／ガリウム砒素（InSb/GaAs）、アンチモン化ガリウム／ガリウム砒素（GaSb/GaAs）、インジウムガリウムヒ素／リン化インジウム（InGaAs/InP ）、カドミウムテルル／水銀カドミウムテルル（CdTe/HgCdTe）の基板／吸収層対が設けられ得る。

透光性電極層を設ける必要がある場合、酸化インジウムスズ（ITO ）の層が設けられてもよい。

１ 半導体層、HgCdTe層
３ 基板、（第１の媒体）
５ 領域
６ CdTe層、（第２の媒体）
７ 領域、（第３の媒体）

Claims (10)

1. 真空中での波長がλ₀ に近い光を検出するための光検出要素において、
   屈折率がnsであり、厚さがλ₀/4ns 乃至λ₀/20nsの範囲にある半導体層と、
   該半導体層の一側に設けられており、前記屈折率nsより小さい第１の屈折率を有して前記光を透過させる第１の媒体と、
   前記半導体層の他側に設けられており、前記屈折率nsより小さい第２の屈折率を有しており、幅がλ₀/nsに略等しい領域を有する第２の媒体と、
   前記半導体層の他側であって、前記領域の両側に設けられており、前記第２の屈折率より大きい第３の屈折率を有しており、前記第２の媒体と共に反射性界面を形成する第３の媒体と
   を備えていることを特徴とする光検出要素。
2. 前記半導体層の厚さが、λ₀/4ns 乃至λ₀/10nsの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光検出要素。
3. 前記第２の媒体は前記第１の媒体と同一材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出要素。
4. 前記第２の媒体の屈折率が、前記第１の媒体の屈折率より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出要素。
5. 前記第３の媒体は金属であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光検出要素。
6. 前記第３の媒体の厚さが、λ₀/10より大きいことを特徴とする請求項５に記載の光検出要素。
7. 前記半導体層は水銀カドミウムテルルであり、前記第１の媒体はカドミウムテルルであり、前記第２の媒体はカドミウムテルルであり、前記第３の媒体は金であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光検出要素。
8. 所定の大きさを有する光検出器を形成すべく、請求項１乃至７のいずれかに記載の光検出要素が並列に接続されてなる組立体。
9. 画素アレイを形成すべく、請求項１乃至７のいずれかに記載の光検出要素が別々に接続されてなる組立体。
10. 同一又は異なる波長で作動可能な光検出要素を備えた請求項８又は９に記載の組立体。

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